酸性尾矿废弃地生态修复技术进展

摘 要 酸性尾矿废弃地废石含有硫化物，在雨水的淋溶作用下会产出硫酸，加剧废弃地的酸 化，增加企业环保成本，而生态修复工作就是从源头上控制废弃地的酸化。根据尾矿废弃地酸化机 理，结合国内外最新研究进展，分析了生态修复技术现状; 概述了隔离覆盖、改良剂改良、植物修复、 微生物法等多种处理方法在实践中的适应性及优缺点，并分别介绍了隔离覆盖-植物修复技术、原 位改良-植物修复技术在 Ｒeden 煤矿、永平铜矿的成功应用案例。针对酸性尾矿废弃地的特点，单 一处理方法具有较大的局限性，需要采用联合工艺进行治理，隔离覆盖-植物修复技术、原位改良- 植物修复技术因见效快、效果好、操作简单，势必成为将来研究的主要方向。

关键词 酸性尾矿废弃地 生态修复 隔离覆盖 原位改良

矿山开采过程会破坏矿区原有自然生态系统， 使生态系统功能弱化甚至丧失，产生大量失去使用 价值的矿业废弃地，主要有露天采矿场、废石堆场、尾矿库、塌陷区等，尤其是在雨水淋溶下会产生酸性 废水的废弃地。酸性尾矿废弃地植物立地条件差， 具有强酸性、高重金属、营养匮乏、物理结构不良等 特征，其自然演替恢复周期长，若不进行人工干预恢 复，势必危害周围生态环境，威胁人类健康，制约矿 山企业的可持续发展。本文根据国内外尾矿废弃地修复的最新进展，概述了隔离覆盖、改良剂改 良、植物修复、微生物治理等生态修复技术的适用性 及优缺点，介绍了 Ｒeden 煤矿废弃地、永平铜矿排土场生态修复案例，以期为同类矿山的生态修复 工作提供理论和实践依据。

1 尾矿废弃地酸化机理

硫化物氧化导致尾矿废弃地酸化，硫广泛分布 于自然界中，其亲和力较强，含硫的金属矿一般有黄 铁矿( FeS2 ) 、黄铜矿( CuFeS2 ) 、闪锌矿( ZnS) 、方铅 矿( PbS) 、毒砂( FeAsS) 。采矿活动使硫化物暴露， 与空气、雨水充分作用，在 Fe3 + 和硫氧化菌催化作 用下迅速氧化产酸。 黄铁矿的氧化受氧气、水含量等化学因素控制， 其纯化学氧化相对较慢，但随着 pH 值下降，嗜酸杆 菌、钩端螺旋菌成为优势微生物群落，大大加快氧化 速率; 且低 pH 值条件下，Fe3 + 能迅速地促进硫化物 的氧化。黄铁矿的氧化分为 3 个过程［1］: 硫化物氧 化过 程 为 FeS2 + 7 /2O2 + H2O → Fe2 + + 2SO2 － 4 + 2H + ，Fe2 + 氧化过程为 Fe2 + + 1 /4O2 + H + →Fe3 + + 1 /2H2O，Fe3 + 促进氧化过程为 FeS2 + 14Fe3 + + 8H2O →15Fe2 + + 2SO2 － 4 + 16H + 。 因此，抑制硫氧化菌、嗜酸杆菌等微生物的活性 可以延缓硫化物的氧化; 而控制水、空气与尾矿的接 触可以有效地控制硫化物的氧化。

2 酸性尾矿废弃地生态修复技术

2． 1 隔离覆盖

隔离覆盖技术是将泥煤、沸石、砾石等惰性材料 覆盖于尾矿上，减少与水、空气接触，以减轻硫化物 的氧化; 同时，可以控制 H + 、重金属向表土层迁移。 在 Peter Nason 等研究中［2］，覆盖 0． 2 m 的污泥不能 阻止氧气进入尾矿，硫化物氧化速率仅减缓约 20% ，且污泥引进的重金属停留在污泥和尾矿接触 面; 若先覆盖 0． 6 m 粉煤灰，再覆盖 0． 2 m 污泥，可 以固定污泥中重金属，有效阻止氧气扩散，抑制硫化 物氧化。

客土法是一种传统的土壤改良技术，对酸性尾 矿废弃地的治理具有良好效果，主要是通过在酸性 尾矿废弃地上覆盖净土，减少植物根系与 H + 和重 金属的接触; 其覆盖厚度由尾矿的基质成分、理化性 质、恢复利用的方向确定，通常恢复为农业用地的覆 盖厚度为 50 ～ 100 cm，恢复为林业用地的覆盖厚度 为 10 ～ 30 cm。美国犹他州米德维尔矿渣场由铅尾 渣与铜尾渣堆积而成，占地面积约 2． 8 km2，采用挖 掘回填的技术进行治理，对场地中污染区土壤进行挖掘移除，并在地表回填 60 cm 厚的清洁土壤，而后 进行植被恢复，取得较好的效果［3］。

2． 2 改良剂改良

酸性尾矿废弃地改良技术一般是添加碱性物料 中和已经产生的酸，并抑制硫化物的进一步氧化产酸; 通过添加肥料、有机质改善土壤物理结构，增加 保水保肥能力; 同时可以通过吸附、螯合、共沉淀作 用固定重金属，降低土壤毒性，为植物的生长提高必 要的营养元素。常用的改良材料有石灰石、生石灰、 膨润土、沸石、粉煤灰、煤矸石、城市生活垃圾、猪粪、 污泥、植物碎片等［4］。Ｒ． ZOＲNOZA 等［4］使用大理 石、猪粪、污泥等治理铅锌镉尾矿废弃地，改良剂用 量分别为大理石 55 t /万 m2、猪粪 25 kg /万 m2、污泥 20 kg /万 m2，5 a 后，植物的盖度、土壤生化性质优于 对照组，可溶性 Cd、Zn 含量明显低于对照组。Ibra- him Mohamed 等［5］使用生物竹炭改良 Cd 污染酸性 实验田，盆栽试验结果表明，添加生物竹炭可显著提 高土壤的 pH 值，增加有机碳含量，降低电导率; 土 壤的 Cd 总量不变，可溶性 Cd 减少。

2． 3 植物修复技术

植物修复技术是 20 世纪 90 年代发展起来的一 种经济高效、环境友好、新兴的重金属污染绿色修复技术。该技术是利用绿色植物来转移、容纳或转化 污染物，使其对环境无害。通过植物的吸收、挥发、 根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤中的污染物， 达到净化环境的目的。近年来研究发现，植被建立 可以有效防止尾矿废弃地酸化［1，6］。国内外报导了 一批耐酸性较强的植物，如高羊茅、黑麦草、狗牙根、 香根草等［7-9］。美国 IKMHSS 矿尾矿废弃地酸性强， pH 值为 2． 5，重金属 Pb、As、Zn 含量超过 2 000 mg / kg，Juliana Gil-Loaiza 等［8］采用植物修复技术治理该 尾矿废弃地，在强酸性金属矿山尾矿山建立一套植 被系统。通过添加 20 wt% 的堆肥，并混种高羊茅、 紫杉、水牛草等种子，41 个月后，植被盖度由于 21% 上升到 61% ，接近未开采地区的植被盖度，pH 值上 升到 7． 5。Chen 等［9］ 的研究表明，紫花苜蓿在含 10% 酸性尾矿的半干旱土壤中可以生长良好，并且 可以有效地将尾矿中的 Cu 和 As 固定在根部。

2． 4 微生物处理技术

微生物处理技术是利用铁还原细菌( FＲB) 和硫 还原细菌( SＲB) 通过反硝化、甲烷生成作用、硫还原 作用以及铁、锰还原作用消耗弱碱性物质产生强碱， 进一步中和酸; 或利用硫酸盐还原菌将 SO2 － 4 还原 成 H2 S，与重金属形成硫化沉淀。该技术多用于治理酸性矿山废水，与化学法相比，微生物处理技术比 较难预测和控制，长期性、稳定性不确定。因此，要 将该技术实施于酸性矿业废弃地的治理，还需要进 一步的探索。Patrick S． Michael 等人［10］在酸性硫酸 盐土中加入干芦苇叶，土与芦苇叶的质量比为 80∶ 1，通过好氧菌消耗氧气分解有机质( 干芦苇叶) ，使 土壤处理弱氧化状态或无氧状态，有利于硫酸盐还 原菌的生长，不断地产生碱性物质，6 个月后，土壤 的 pH 值由 4 上升至 8。 各种治理技术优缺点见表 1。

综上所述，单一的治理方法都具有一定的局限性，当尾矿废弃地 pH 值过低、重金属浓度高、环境 极端恶劣不适于植物生长时，应采取物理、化学以及 生物联合技术对酸性尾矿废弃地进行生态修复。

3 生态修复工业应用案例

3． 1 Ｒeden 煤矿废弃地生态修复

Ｒeden 煤矿位于德国萨尔州，于 1996 年停止开 采，其尾矿废弃地面积为 800 m × 900 m( 矩形) ，包 含了 1． 5 × 107 m3 废石。其尾矿废弃地时常发生自 燃，并产热产酸，表面保水能力差，不适宜植物的生 长。针对这一情况，柏林工业大学、伦敦帝国理工学 院、Wardell Armstrong 公司联合开发了一种植被恢复技术，通过往尾矿废弃地上覆盖一层人造土，并种 植植物，以实现尾矿废弃地生态修复。 人造土的生产方案为将污水厂污泥、废纸张、木 屑、建筑垃圾破碎后，按照一定的比例混合，通过好 氧微生物作用 40 ～ 60 d 而成。各种物料的用量见 表 2。

试验场地平整后，将人造土覆盖于试验场地上， 覆盖厚度为 30 cm，其厚度可达到林业用地的覆土 标准，并修整好排水系统。往人造土上撒播一定量 的草种，其种类与比例见表 3。

种植植物后，使用蒸渗计收集渗滤液，并检测其 参数。结果表明，渗滤液的电导率不断下降，pH 值 逐渐上升，重金属含量始终在水质标准阈值内，硝酸 盐初始浓度为 1 000 ～ 1 500 mg /L，而后迅速下降。 复垦 13 a 后，试验场地均被植物覆盖; 其中荨 麻、翼蓟覆盖面积为 70% ，八仙草、鸭茅、无芒雀麦、 欧芹、燕雀麦、黄莺、蔷薇、黑莓覆盖面积为 30% ，未 发现初始种植的白三叶、猫尾草、紫羊茅等植物，表 明试验场地成功实现了生态系统自然演替。Ｒeden 煤矿废弃地生态修复情况见图 1。

Ｒeden 煤矿采用隔离覆盖-植物修复技术治理 其废弃地，取得较好效果，可操作性强。覆盖材料为 人造土，主要成分为污水污泥、废纸张、木屑、建筑垃 圾等废弃物，该方法实现固体废弃物综合利用，达到 了“以废治废”的目的，其环境效益、经济效益、社会 效益显著。通过覆盖人造土可以改善现有土壤条 件，改进土壤物理结构，增加植物生物量，增加植物 的盖度。

3． 2 永平铜矿排土场生态修复

永平铜矿地处江西省上饶市铅山县，海拔为 185． 5 ～ 273． 3 m，其尾矿废弃地生态修复项目位于 矿区南部排土场，该排土场停用约 13 a，边坡坡度为 ( 1∶ 1) ～ ( 1∶ 1． 25) ，治理前有稀疏的植物生长。该 排土场废石呈强酸性，Cu、Pb、Zn 含量较高，营养元素匮乏，若不经改良，无法满足植物的生长需要。 针对这一特点，中国瑞林公司引进中山大学原 位改良-植物修复技术进行治理，添加石灰、改良剂 及微生物菌种等，其主要工艺流程见图 2。

该工程于2013 年11 月开工，2014 年3 月竣工， 复垦 1． 5 a 后整个实施区域已被绿色覆盖，植被盖 度达 90% 以上，实现生态系统的自然演替，达到控 制重金属等污染物迁移的目的，原位改良-植物修复 技术在永平铜矿排土场取得成功应用( 图 3) 。该技 术是改良剂改良与植物修复技术的联合方法，针对 硫化排土场土壤治理具有独特优势，不需要客土，通 过化学中和，添加有机质提高土壤活性，增加土壤肥 力，使土壤达到适宜植物生长要求，然后种植耐性植 物进行生态修复，成本低，可操作性强。

4 结 语

矿山企业要确保可持续发展，就必须高度重视尾矿废弃地的复垦工作，开采的同时逐步治理尾矿 废弃地。隔离覆盖、改良剂改良、植物修复等是目前 应用较广泛的技术，针对酸性尾矿废弃地的特点，单一的方法具有较大的局限性，势必要采用联合方法。 Ｒeden 煤矿废弃地、永平铜矿排土场生态修复的成 功案例表明，隔离覆盖-植物修复技术、原位改良-植 物修复技术见效快、效果好，能较好地适用于酸性尾矿废弃地的治理，因此，联合技术是将来研究的主要 方向。寻找合适的覆盖材料、改良材料，如建筑垃 圾、污泥、碱性物料等，实现以废治废，是今后研究的 热点。